KR100567538B1 - Method of forming a conductive pattern in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법에 관한 것으로, 도전성 물질층 상에 산화물이나 질화물로 하드 마스크층을 형성하고, 하드 마스크층을 사진 공정 및 식각 공정으로 패터닝하여 제 1 하드 마스크층 패턴을 형성하고, 저농도의 습식 화학제를 사용한 트리밍 공정을 실시하여 제 1 하드 마스크층 패턴의 노출된 모든 부분을 일정 두께 식각하여 원하는 폭을 갖는 제 2 하드 마스크층 패턴을 형성하고, 제 2 하드 마스크층 패턴을 이용한 식각 공정으로 도전성 물질층을 패터닝하여 노광 장비로 형성할 수 있는 패턴보다 더 미세한 선폭의 도전성 패턴을 형성할 수 있다.The present invention relates to a method of forming a conductive pattern of a semiconductor device, wherein a hard mask layer is formed of an oxide or nitride on a conductive material layer, and the hard mask layer is patterned by a photo process and an etching process to form a first hard mask layer pattern. And performing a trimming process using a low concentration wet chemical agent to etch all exposed portions of the first hard mask layer pattern to a predetermined thickness to form a second hard mask layer pattern having a desired width, and to form a second hard mask layer pattern. The conductive material layer may be patterned by an etching process to form a conductive pattern having a finer line width than the pattern that may be formed by the exposure apparatus.
미세 패턴, 트리밍 공정, 하드 마스크Fine pattern, trimming process, hard mask
Description
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views of devices for describing a method for forming a conductive pattern of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11: 기판 12: 도전성 물질층11: substrate 12: conductive material layer
12P: 도전성 패턴 13: 하드 마스크층12P: Conductive Pattern 13: Hard Mask Layer
13A: 제 1 하드 마스크층 패턴 13B: 제 2 하드 마스크층 패턴13A: first hard
14: 포토레지스트 패턴14: photoresist pattern
본 발명은 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법에 관한 것으로, 특히 노광 장비로 형성할 수 있는 패턴보다 더 미세한 선폭의 도전성 패턴을 형성할 수 있는 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a conductive pattern of a semiconductor device, and more particularly to a method of forming a conductive pattern of a semiconductor device capable of forming a conductive pattern having a finer line width than a pattern that can be formed by exposure equipment.
일반적으로, 반도체 소자가 고집적화 및 소형화되어 감에 따라 반도체 소자를 구성하는 요소 각각이 차지하는 면적 또한 줄어들고 있다. 초고집적 소자를 구형하기 위하여, 현재 반도체 소자의 제조 공정중 핵심 공정은 미세 패턴을 형성하는 노광 공정이다. 현재 반도체 소자의 워드라인이나 비트라인 등과 같은 도전성 라인은 0.2 ㎛지나 이미 0.1㎛에 임박하는 회로 선폭이 구현되고 있으며, 수년 이내에 0.1㎛ 이하의 회로 선폭을 형성하는 것이 요구될 것이다. 그런데, 현재 노광 장비로는0.1 ㎛ 이하의 미세 패턴을 디파인(define)하기 어렵다. 예를 들어, 반도체 소자의 제조 공정에 널리 적용하고 있는 KrF 노광 장비는 서브(sub) 0.14 ㎛의 워드라인을 형성하기 위해서 사진 공정으로 형성되는 포토레지스트 패턴을 그대로 식각 마스크로 적용하지 않고 포토레지스트 트리밍(photoresist trimming) 공정을 적용하여 포토레지스트 패턴의 선폭을 0.14 ㎛로 만든 다음 패터닝 공정을 실시하여 0.14 ㎛의 워드라인을 형성하고 있는 실정이다. 포토레지스트 트리밍 공정은 O2/N2/CF4/Cl2 등으로 구성된 플라즈마 소오스(plasma source)로 포토레지스트 패턴을 일정 두께 식각하여 원하는 미세 선폭을 갖는 포토레지스트 패턴을 만드는 기술이다. 그러나, O2/N2/CF4/Cl2 등으로 구성된 플라즈마 소오스는 형성하고자 하는 워드라인의 밀집도 즉, 워드라인들 사이의 간격에 따라 식각 로딩 현상(etch loading effect)이 심하게 발생되며, 이로 인하여 임계치 바이어스(CD bias) 및 프로파일(profile)이 다르게 나타난다. 이는 하나의 소자에는 다양한 폭(width)과 간격(space)을 갖는 워드라인이 존재하고 있으며, 그로 인해 모든 워드라인을 원하는 폭으로 만들 수 없게되는 한계가 있다. 다시 말해, 밀집도가 다른 다수의 미세 패턴을 형성함에 있어, 기존의 방법으로는 균일한 폭과 정확한 위치에 원하는 미세 패턴을 재현성 있게 형성할 수 없어 반도체 소자의 고집적화 및 소형화를 실현하는데 어려움이 있다.In general, as semiconductor devices are highly integrated and miniaturized, the area occupied by each element constituting the semiconductor device is also reduced. In order to form an ultra-high integration device, a core process of the current semiconductor device manufacturing process is an exposure process for forming a fine pattern. At present, conductive lines such as word lines and bit lines of semiconductor devices have a circuit line width of about 0.2 μm but are already approaching 0.1 μm, and it will be required to form a circuit line width of 0.1 μm or less within a few years. By the way, it is difficult to define fine patterns of 0.1 micrometer or less with current exposure equipment. For example, KrF exposure equipment widely applied to the manufacturing process of semiconductor devices is used to trim photoresist without using a photoresist pattern formed by a photo process as an etching mask to form a word line of sub 0.14 μm. The photoresist trimming process is applied to form a line width of the photoresist pattern to 0.14 μm, followed by a patterning process to form a word line of 0.14 μm. The photoresist trimming process is a technique of forming a photoresist pattern having a desired fine line width by etching a thickness of a photoresist pattern with a plasma source composed of O 2 / N 2 / CF 4 / Cl 2 . However, in the plasma source composed of O 2 / N 2 / CF 4 / Cl 2 , an etch loading effect is severely generated depending on the density of the word lines to be formed, that is, the spacing between the word lines. This results in different CD bias and profile. This is because there is a word line having various widths and spaces in a single device, and thus there is a limit in that all word lines cannot be made to a desired width. In other words, in forming a plurality of fine patterns having different densities, the existing method cannot reproduce a desired fine pattern at a uniform width and an accurate position, and thus has difficulty in realizing high integration and miniaturization of semiconductor devices.
따라서, 본 발명은 노광 장비로 형성할 수 있는 패턴보다 더 미세한 선폭의 도전성 패턴을 밀집도에 관계없이 균일하게 형성할 수 있는 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a conductive pattern of a semiconductor device capable of uniformly forming a conductive pattern having a finer line width than a pattern that can be formed by exposure equipment regardless of density.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측면에 따른 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법은 기판 상에 도전성 물질층을 형성하는 단계; 도전성 물질층 상에 하드 마스크층을 형성하는 단계; 하드 마스크층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 하드 마스크층을 패터닝하여 제 1 선폭을 갖는 제 1 하드 마스크층 패턴을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계; 하드 마스크 습식 식각 트리밍 공정을 실시하여 제 1 선폭보다 좁은 제 2 선폭을 갖는 제 2 하드 마스크층 패턴을 형성하는 단계; 및 제 2 하드 마스크층 패턴을 식각 마스크로 도전성 물질층을 패 터닝하여 도전성 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming a conductive pattern of a semiconductor device, the method including forming a conductive material layer on a substrate; Forming a hard mask layer on the conductive material layer; Forming a photoresist pattern on the hard mask layer; Patterning the hard mask layer to form a first hard mask layer pattern having a first line width, and removing the photoresist pattern; Performing a hard mask wet etch trimming process to form a second hard mask layer pattern having a second line width narrower than the first line width; And forming a conductive pattern by patterning the conductive material layer using the second hard mask layer pattern as an etching mask.
상기에서, 도전성 물질층은 단층 또는 다층의 구조로 형성한다.In the above, the conductive material layer is formed in a single layer or a multilayer structure.
트리밍 공정은, 상기 하드 마스크층이 산화물 계통으로 형성된 경우, HF 용액이나 BOE 용액을 사용하여 실시하며, HF 용액은 HF:H2O가 1:500인 것을 사용하고, BOE 용액은 HF:NH4F:H2O가 1:7:300인 것을 사용한다.When the hard mask layer is formed of an oxide system, the trimming process is performed using an HF solution or a BOE solution, the HF solution uses a HF: H 2 O of 1: 500, and the BOE solution is an HF: NH 4 Use F: H 2 O is 1: 7: 300.
트리밍 공정은, 상기 하드 마스크층이 질화물 계통으로 형성된 경우, H3PO4 용액을 사용하여 실시하며, H3PO4 용액은 H3PO4:H2O가 3:1인 것을 사용한다.Trimming process, when the hard mask layer is formed of a nitride system, and carried out using a solution of H 3 PO 4, H 3 PO 4 H 3 PO 4 solution: was used as the 1: H 2 O 3.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의하여 이해되어야 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Only the present embodiment is provided to make the disclosure of the present invention complete, and to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, the scope of the present invention should be understood by the claims of the present application.
한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제 3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되어질 수도 있다. 도면 상에서 동일 부호는 동일 요소를 지칭한다.On the other hand, when a film is described as being "on" another film or semiconductor substrate, the film may exist in direct contact with the other film or semiconductor substrate, or a third film may be interposed therebetween. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings may be exaggerated for convenience and clarity of description. Like numbers refer to like elements on the drawings.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 도전성 패턴 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1A to 1E are cross-sectional views of devices for describing a method for forming a conductive pattern of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 소자 분리막, 웰 등 반도체 소자를 구성하는 일부 요소가 형성되고, 워드라인, 비트라인, 금속배선 등 반도체 소자의 도전성 패턴을 형성하기 위한 기판(11)이 제공된다. 기판(11) 상에 도전성 물질층(12)을 형성한다. 도전성 물질층(12) 상에 하드 마스크층(13)을 형성한다. 하드 마스크층(13) 상에 포토레지스트 패턴(14)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, some elements constituting a semiconductor device such as an isolation layer and a well are formed, and a
상기에서, 도전성 물질층(12)은 단층 또는 다층의 구조로 형성하는데, 예를 들어, 워드 라인을 형성하기 위한 층이라면 기판(11)의 표면에 게이트 절연막을 형성하고, 게이트 절연막 상에 폴리실리콘층, 텅스텐 나이트라이드층 및 텅스텐층이 적층된 구조이거나, 폴리실리콘층 및 금속 실리사이드층이 적층된 구조일 수 있으며, 그 밖에 다양한 물질로 형성할 수 있다. 하드 마스크층(13)은 산화물 계열이나 질화물 계열로 형성하며, 그 두께는 도전성 물질층(12)이 어떠한 물질로 어느 정도의 두께로 형성되느냐에 따라 달라질 수 있기 때문에 수치적으로 정확히 한정할 수 없다. 즉, 하드 마스크층(13)은 후속 공정시 도전성 물질층(12)을 패터닝하기 위한 식각 마스크 역할을 하기 때문에 도전성 물질층(12)을 고려하여 형성하여야만 한다.In the above, the
도 1b를 참조하면, 포토레지스트 패턴(14)을 식각 마스크로 한 식각 공정으로 하드 마스크층(13)을 패터닝하여 포토레지스트 패턴(14)의 선폭과 동일한 제 1 선폭을 갖는 제 1 하드 마스크층 패턴(13A)을 형성한다. 제 1 하드 마스크층 패턴(13A)이 형성되는 동안 포토레지스트 패턴(14)도 일정 두께 식각되어진다.Referring to FIG. 1B, the
도 1c를 참조하면, 남아있는 포토레지스트 패턴(14)을 제거(strip)하고, 식각 공정 및 제거 공정 시에 발생된 오염물질 등을 세정 공정으로 제거한다.Referring to FIG. 1C, the remaining
도 1d를 참조하면, 하드 마스크 습식 식각 트리밍 공정(hard mask wet etch trimming process)을 실시하여 제 1 하드 마스크층 패턴(13A)의 노출된 모든 부분을 일정 두께 식각하여(도면에서 화살표로 표시) 원하는 제 2 선폭을 갖는 제 2 하드 마스크층 패턴(13B)을 형성한다. 제 2 선폭은 제 1 선폭보다 좁다.Referring to FIG. 1D, a hard mask wet etch trimming process is performed to etch all exposed portions of the first hard
상기에서, 트리밍 공정은 하드 마스크층(13)의 형성 물질에 따라 2가지로 실시된다. 먼저 하드 마스크층(13)의 형성 물질이 산화물 계통이면, HF 용액이나 BOE 용액을 사용한다. 밀집도에 따른 식각 로딩 현상을 억제하여 모든 지역에서 균일한 폭과 원하는 위치에 도전성 패턴을 형성하기 위하여, 식각 속도가 느리게 진행되는 것이 유리하기 때문에 저농도의 습식 화학제 예를 들어 HF:H2O가 1:500인 HF 용액이나 HF:NH4F:H2O가 1:7:300인 BOE 용액을 사용한다. HF:H2O가 1:500인 HF 용액은 분당 약 6Å의 두께로 식각되며, HF:NH4F:H2O가 1:7:300인 BOE 용액은 분당 약 50Å의 두께로 식각되는 등 통상적으로 식각 비율이 잘 알려져 있기에 원하는 폭을 갖는 제 2 하드 마스크층 패턴(13B)을 얻을 수 있다.In the above, the trimming process is performed in two ways depending on the material of the
하드 마스크층(13)의 형성 물질이 질화물 계통이면, H3PO4 용액을 사용한다. 밀집도에 따른 식각 로딩 현상을 억제하여 모든 지역에서 균일한 폭과 원하는 위치 에 도전성 패턴을 형성하기 위하여, 식각 속도가 느리게 진행되는 것이 유리하기 때문에 저농도의 습식 화학제 예를 들어 H3PO4:H2O가 3:1인 H3PO
4 용액을 사용한다. H3PO4:H2O가 3:1인 H3PO4 용액은 예를 들어 약 160℃의 온도에서 분당 약 50Å의 두께로 식각되는 등 통상적으로 식각 비율이 잘 알려져 있기에 원하는 폭을 갖는 제 2 하드 마스크층 패턴(13B)을 얻을 수 있다.If the material forming the
도 1e를 참조하면, 제 2 하드 마스크층 패턴(13B)을 이용한 식각 공정으로 도전성 물질층(12)을 패터닝하여 도전성 패턴(12P)을 형성한다.Referring to FIG. 1E, the
상기한 본 발명에서, 도 1a에 도시된 포토레지스트 패턴(14)을 현재 사용하고 있는 노광 장비를 이용하여 최소한의 선폭으로 형성하였다면, 도 1d에 도시된 제 2 하드 마스크층 패턴(13B)은 노광 장비로 형성할 수 없는 선폭이 된다. 즉, KrF 노광 장비로도 서브(sub) 0.14 ㎛로뿐만 아니라 0.1 ㎛ 이하의 미세 선폭을 갖는 도전성 패턴을 형성할 수 있다.In the present invention described above, if the
상술한 바와 같이, 본 발명은 산화물 계통이나 질화물 계통의 하드 마스크층 패턴을 저농도의 습식 화학제를 사용한 트리밍 공정으로 일정 두께 식각할 때 하드 마스크층의 식각 비가 작기 때문에 임계치 바이어스(CD bias)의 제어도 용이하며, 식각 로딩 현상(etch loading effect)도 최대한 억제할 수 있어, 노광 장비로 형성할 수 있는 패턴보다 더 미세한 선폭의 도전성 패턴을 밀집도에 관계없이 균일한 선폭으로 예정된 위치에 형성할 수 있다.As described above, in the present invention, the etching ratio of the hard mask layer is small when the hard mask layer pattern of the oxide system or the nitride system is etched by a trimming process using a low concentration of wet chemical agent so that the control of the CD bias is controlled. It is also easy to suppress the etch loading effect (etch loading effect) as much as possible, it is possible to form a conductive pattern of a finer line width than the pattern that can be formed by the exposure equipment at a predetermined position with a uniform line width regardless of the density .
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